（机械制造及其自动化专业论文）pcd刀具刃磨工艺及其加工有色金属的研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 在切削加工技术中，刀具的生产加工技术具有十分重要的意义。它直接影响着机械 加工效率的高低和加工质量的好坏，是切削技术不断发展的关键。聚晶金刚石 ( p o l y c r y s t a l l i n ed i a m o n d ，简称p c d ) 刀具作为超硬材料刀具，能够满足高切削速度、高 刀具耐用度及低加工成本的现代切削加工技术要求，已经深入到机械加工的各个领域， 起着越来越重要的作用，尤其在汽车制造业中。随着我国汽车制造的迅猛发展，汽车自 主开发能力的不断提高，对p c d 刀具的需求和国产化的要求也将越来越高。因此，提 高我国p c d 刀具的制造及使用技术对于机械加工行业和国民经济的发展具有重大实际 意义。 p c d 材料具有极高硬度和极好耐磨性，使其成为理想的刀具材料，但也因此给p c d 刀具的刃磨加工带来了很大的困难，主要表现为p c d 刀具的刃磨质量难以保证，刃磨 效率较低，刃磨机理复杂。基于上述原因，本文对p c d 刀具的刃磨机理，刃磨工艺条 件对刃磨质量及刃磨效率的影响进行了深入研究。首先，分别对金属结合荆、树脂结合 剂和陶瓷结合剂金刚石砂轮刃磨p c d 刀具时刃磨表面粗糙度受砂轮速度、砂轮摆频及 干湿磨削条件的影响进行了对比试验研究，深入分析了刃磨工艺条件对刃磨表面粗糙度 的影响及其原因。其次，对不同结合剂金刚石砂轮进行了刃磨效率对比试验，并用电子 扫描显微镜观察不同结合剂金刚石砂轮刃磨p c d 刀具后刃口及磨削表面形貌特点，深 入分析了不同结合剂金刚石砂轮刃磨p c d 刀具的刃磨机理区别。 p c d 刀具的优良特性使其切削规律与普通刀具的切削规律有所区别，其特殊性主要 表现在p c d 刀具的后刀面错位熨压作用，后刀面的错位熨压作用使得p c d 刀具在精密 切削时甚至会产生超越性加工现象。本文针对上述现象，建立了p c d 刀具加工有色金 属的切自0 模型，并进行了具体的铝合金切削试验，分析了刃磨质量对加工表面质量及刀 具寿命的影响。另外。本文还对切削用量对铝合金的加工表面质量的影响进行了试验研 究。 关键词：聚晶金刚石刀具；刃磨质量；刃磨机理；有色金属 江兆周：p c d 刀具刃磨工艺及其加工有色金属的研究 s t u d i e so ng r i n d i n gt e c h n o l o g yo f p c dc u t t i n gt o o la n dc u t t i n g p e r f o r m a n c eo f p c df o rm a c h i n i n gn o n f e r r o u sm e t a l a b s t r a c t a m o n gc u t t i n gt e c h n i q u e s ，t h ep r o d u c t i o na n dp r o c e s s i n go fc u t t i n gt o o l i sv e r y s i g n i f i c a n tt ot h ee f f i c i e n c ya n dq u a l i t yo fm e c h a n i cp r o c e s s i n g ，a n dk e yt ot h ed e v e l o p m e n t o fc u t t i n gt e c h n i q u e o nb e h a l fo fs u p e r h a r dc u r i n gt o o l ，p c dc u t t i n gt o o lc a l la d a p tt o m o d e mc u t t i n gt e c h n i q u e sr e q u e s t so fh i g hc u r i n gs p e e d ，l o n gl i f e s p a na n dl o wm a c h i n i n g c o s t p c dc u r i n gt o o li sa p p l i e di na l la r e a so fm e c h a n i cp r o c e s s i n ga n db e c o m e sm o r ea n d m o r ei m p o n a u t ，e s p e c i a l l yi na u t oi n d u s t r y w i t ht h eq u i c kd e v e l o p m e n to fa u t oi n d u s t r ya n d t h ei m p r o v e m e n to fi n d e p e n d e n tr e s e a r c ha b i l i t y t h ed e m a n do fp c dt o o lp r o d u c e d d o m e s t i c a l l yw i l lb eu r g e n t i th a sp r a c t i c a lm e a n i n gf o rm e c h a n i ci n d u s t r ya n dn a t i o n a l e c o f i o m yt oi m p r o v et h em a n u f a c t u r ea n da p p l i c a t i o nt e c h n o l o g yo f p c dc u t t i n gt 0 0 1 b e c a u s eo fp c dm a t e r i a l ss u p e r h a r d n e s sa n dg o o dw e a r - r e s i s t a n c e ，i ti sv e r yi d e a la s c u t t i n gt o o lm a t e r i a l o nt h eo t h e rh a n d ，i t ss u p e r h a r d n e s sa n dh i g hw e a r r e s i s t a n c em a k e i t d i f f i c u l tt ob eg r i n d e dw i mt h eh i g hg r i n d i n gc o s ta n dl o wg r i n d i n ge f f i c i e n c y t h eq u a l i t yo f g r i n d i n gc a n tb ee n s u r e da n dt h eg r i n d i n gm e c h a n i s mi sv e r yc o m p l e x t os o l v et h e s e p r o b l e m s ，t i n st h e s i sd i dal o to fr e s e a r c h e so nt h eg r i n d i n gm e c h a n i s mo fp c dc u t t i n gt o o l a n dt h ei n f l u e n c e so fp a r a m e t e r so ng r i n d i n gq u a l i t ya n de f f i c i e n c y ，f i r s t l y ，u s i n gd i a m o n d w h e e l sb o n d e db ym e t a l ，r e s i na n dc e r a m i cr e s p e c t i v e l y ，e x p e r i m e n t sa b o u tt h ei n f l u e n c eo f w h e e ls p e e d ，w h e e ls w i n g 厅e q u e n c ya n dc o o l a n to ng r i n d i n gs u r f a c eq u a l i t yw a sd o n ea n d t h er e a s o nw h yp a r a m e t e r sc a ni n f l u e n c et h eg r i n d i n gs u r f a c er o u g h n e s sw a sd e e p l ya n a l y z e d s e c o n d l y ，t h r o u g hc o m p a r a t i v ee x p e r i m e n ta b o u tg r i n d i n ge f f i c i e n c yo fd i a m o n dw h e e l sw i t h d i f f e r e n tb o n d sa n do b s e r v i n gt h es e mp i c t u r eo fb l a d ea n df l a n ks u r f a c eo fp c dt o o l g r i n d e db yd i a m o n dw h e e lw i t hd i f f e r e n tb o n d , t l l eg r i n d i n gm e c h a n i s mw a ss t u d i e d p c dc u r e r sg o o dc h a r a c t e r i s t i c sm a k ei t sc u t t i n gr u l ed i f f e r e n tw i t ho t h e rn o r m a lc u t t e r p c dc u t t e r sf l a n ks u r f a c ec a np r e s sa n dp o l i s ht h em a c h i n i n gs u r f a c ea n dt h eo u t s t a n d i n g p h e n o m e n o nw i l la p p e a r t h u st h em o d e lo fp c dc u t t i n gt 0 0 1m e t a lw a se s t a b l i s h e d ，a n d a l u m i n u ma l l o yc u t t i n ge x p e r i m e r i tw a sd o n et os t u d yt h ei n f l u e n c eo fg r i n d i n gq u a l i t yo n m a c h i n i n gs u r f a c ea n dc u t t i n gt o o l s l i f e i na d d i t i o n , t h ei n f l u e n c eo fc u t t i n gp a r a m e t e r so n c u r i n gs u r f a c eq u a l i t yw a s s t u d i e dw h e np c dt o o lc u t t i n ga l u m i n u ma l l o y k e yw o r d s ：p c dc u t t i n gt o o l ：g r i n d i n gq u a l i t y ；g r i n d i n gm e c h a n i s m ：n o n f e r r o u s m e t a l 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名： 导师签名： 虐年j 月丘日 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 引言 精密、超精密加工是一个国家经济和技术实力的重要体现，是现代高新制造技术发 展的重要基础，金刚石刀具作为超硬材料刀具的代表在精密及超精密加工领域是不可替 代的。 天然单晶金刚石作为刀具材料的使用已有数百年的历史，是迄今为止所发现的最硬 最耐磨的材料。由于其内部为单晶系，研磨出的切削刃口质量极好( 目前国外刃口半径 可以研磨到纳米级水平【l 】) ，因此其加工精度极高，加工工件表面纹理也极佳，表面粗 糙度极好。但天然金刚石资源稀缺，价格昂贵，工业用的大颗粒天然金刚石少之又少， 并且它具有解理性，在受到冲击时往往会发生脆性破损，限制了它的广泛应用。二十世 纪四十年代，人们开始致力于人造金刚石的研究。1 9 5 4 年1 2 月1 6 日，美国g e 公司以 粉末态的金属和石墨为原料合成了世界上第颗人造金刚石【2 j ；1 9 5 7 年美国开始了人造 金刚石工业化生产【3 j 。人造金刚石的研制成功和工业化大大促进了金刚石工具行业的发 展。而七十年代聚晶金刚石( p c d ) 的出现，使人造金刚石进入了全面代替天然金刚石而 制作工具的新时期1 4 】。 聚晶金剐石( p c d ) 的出现，解决了天然金刚石数量稀少、价格昂贵的问题，使金刚 石刀具的应用范围扩展到航空、航天、汽车、电子、石材等多个领域。聚晶金刚石刀具 材料的高硬度、高耐磨性、高抗压强度及较好的导热性等优良特性使其在高速切削加工 中仍具有很高的刀具耐用度，并能获得很高的加工效率和加工精度，大大提高了机加工 的加工质量，降低了加工成本。目前，p c d 刀具的加工范围已从传统的金属切肖4 加工扩 展到石材加工、木材加工、玻璃、工程陶瓷、金属基复合材料( m m c ) 等材料的加工。 1 2p o d 刀具的刃磨工艺方法研究现状 p c d 刀具的刃磨一般要求主切削刃有一定的直线度，不允许有崩刃及锯齿状，刃口 锯齿峰值应小于5 9 m ，刃口圆弧半径应小于4 u m ；其次，刀具前刀面和后刀面要有一定 的表面光洁度，其中前刀面绝大多数场合要求为镜面，表面粗糙度可达0 0 1 b i n ，这样 使切屑沿前刀面容易流动、降低工件材料粘附刀刃1 5 j 。然而，p c d 材料的高硬度、高耐 磨性使其刃磨相当困难，其刃磨工艺性问题已成为其推广应用的瓶颈，因此，如何解决 p c d 刀具的刃磨问题是制造、使用p c d 刀具的关键。 江兆周：p c d 刀具刃磨工艺及其加工有色金属的研究 1 2 1 金刚石砂轮机械刃剧6 ，7 8 ，9 l 在众多的刃磨方法中最为成熟、有效的是金刚石砂轮机械刃磨，国外许多发达国家 率先开展了这方面的研究，主要集中在聚晶金刚石刀具刃磨工艺及刃磨机理的研究上。 在合理的刃磨工艺参数情况下，金刚石砂轮机械刃磨可获得其它刃磨工艺方法难以达到 的刀具刃口质量和光洁的前、后刀面，但与其它刃磨工艺相比，它存在磨削力高、刃磨 效率低、砂轮损耗大、刃磨成本高等缺点。因此，国内外对p c d 刀具的金刚石砂轮刃 磨工艺的研究多集中在对刃磨效率和砂轮的磨耗比研究工作上，而对如何进一步提高 p c d 刀具的刃磨质量及不同结合剂金刚石砂轮刃磨工艺对刃磨质量的影响的研究较少， 有待进一步深入研究。 1 2 2 电火花刃磨( e 0 8 ) 6 ，1 q 1 1 】 p c d 刀具的电火花刃磨工艺也是一种较传统的刃磨工艺方法。这种方法是通过在电 介质分离的砂轮电极与p c d 刀具材料电极间放电产生瞬时高温，将刀具金刚石表面炭 化蚀除，是一种热蚀过程。电火花磨削的加工效率比纯机械磨削提高了几十倍，磨削成 本低，并且可以方便地加工形状较为复杂的p c d 刀具。但由于电火花的刃磨过程中， 电火花放电的温度可高达8 0 0 0 1 2 0 0 0 。c ，容易引起p c d 材料的热损伤和石墨化，所以 其刃磨表面质量较差，尤其在p c d 与硬质合金基底的结合界面，由于两种材料的热膨 胀系数不样，很容易在表面形成深约0 0 5 r i m l 的微裂纹i l “。目前，电火花刃磨工艺主 要应用于p c d 木工切削刀具的刃磨【1 ”。 1 ，2 3 复合刃磨加工 利用复合加工法刃磨加工p c d 刀具，是当前p c d 刃磨技术发展的一个主要趋势。 复合刃磨加工可以综合各种刃磨加工方法的优点，取得令人满意的加工效果。例如，单 一的金刚石砂轮机械刃磨存在加工效率低，加工成本高问题，单一电火花刃磨存在工具 电极磨损较快，a n ：z ：质量不高等缺点，但如果采用电火花机械复合刃磨则既可以提高加 工效率又可以保证加工质量。目前p c d 复合刃磨加工主要有电火花机械复合刃磨、超 声振动放电复合刃磨和超声振动机械复合刃磨法。 1 2 4 金属结合剂超硬磨料砂轮在线电解修整( e l i d ) 刃磨1 1 4 ”1 e l i d 刃磨技术的基本原理是利用金属基砂轮基体导电和可电解的特性，用在线电 解的方法对砂轮表面的基体材料进行去除，而磨粒本身不会被电解破坏，从而实现对砂 轮表面的修整。 如图1 1 所示，砂轮通过电刷接电源的正极，根据砂轮的形状制造一个导电性能好 大连理工大学硕士学位论文 的电极接电源的负极，电极与砂轮表面之间有一定间隙，从喷嘴中喷出的具有电解作用 的磨削液进入电极和砂轮表面之间的间隙，在修整电源作用下，砂轮铸铁基体作为阳极 被电解，使砂轮中的磨粒露出表面，形成一定的出刃高度和容屑空间。随着电解过程的 进行，在砂轮表面逐渐形成一层钝化膜，抑制电解过程继续进行，使砂轮损耗不致太快。 当砂轮表面的磨粒磨损后，钝化膜被工件材料刮擦去除，电解过程继续进行，对砂轮表 面重新进行修整，整个过程重复进行。上述过程是一个动态平衡的过程，既避免了砂轮 过快消耗，又能自动保持砂轮表面的磨削能力，通过调整电解参数( 电压和电流) 和磨削 参数，可以对电解修整进程进行在线调控，从而实现稳定的接近理想状态的磨削过程。 图1 1e l i d 磨削装置原理图 f i g 1 1w o r kp r i n c i p l eo f e l i dg r i n d i n g p c d 复合片的e l i d 刃磨技术是一种新兴刃磨技术，其刃磨工艺尚需进一步的探索。 1 3p o d 刀具刃磨机理研究现状 金刚石砂轮机械刃磨p c d 的刃磨机理比较复杂，国内外学者对p c d 的刃磨机理做 了大量的试验研究和理论分析，形成了很多不同理论观点。 ( 1 ) 德国学者m k e n t e r 【l6 ，1 7 , 1 8 1 认为金刚石砂轮在磨削聚晶金刚石刀具的过程中，发 生了刻划作用和滑擦作用。在发生这两种作用时，材料的去除有以下四种方式，即粘结、 刻划、摩擦化学反应和表面断裂。通过扫描电子显微镜( s e m ) 观察三种被刃磨工件 p c d 1 ( 粒度为2 i _ u n ) ，p c d 。2 ( 粒度为l o “m ) ，p c d 3 ( 粒度为2 5 p a r t ) i 鬟j 表面微观形貌，在 p c d 1 上可观察到犁沟，但其它两种p c d 工件却观察不到犁沟，因此k e n t e r 认为，在 绝大多数情况下p c d 材料的去除是以摩擦化学反应和表面断裂为主，随着磨削的进行， 金刚石磨粒逐渐钝化，即使p c d 1 也难观察到犁沟，由于p c d 材料的脆性，在金刚石 磨粒的挤压下容易诱发裂纹，该裂纹在机械和热应力作用下扩展，并最终剥落下小片的 江兆周：p c d 刀具刃磨工艺及其加工有色金属的研究 p c d 材料，摩擦热会使p c d 发生石墨化和其它摩擦化学反应。 ( 2 ) g e 公司k j d u n n 等人用扫描电子显微镜对试验后的p c d 复合片表面微观形貌 进行观察，认为p c d 材料的破坏机理是微观脆性破碎和疲劳破损【。 ( 3 ) 我国艾兴院士等人用开槽的金刚石砂轮磨削p c d ，还分别用超声波振动和激光 照射来模拟磨削时的机械冲击和热冲击，将p c d 材料的去除方式归纳为：当砂轮与p c d 接触瞬间，磨削力突然增大，强烈的机械冲击在p c d 表面发生裂纹，甚至有碎片产生； 在稳定磨削期，砂轮磨粒在p c d 表面上挤压和摩擦，当压力达到一定程度后，p c d 表 面上就会形成裂纹，当摩擦温度达到一定程度后，p c d 就会发生石墨化和其它化学反应。 他们通过实验发现，开槽的金刚石砂轮磨削时，由于磨削力不连续，加之冷却液的周期 冷却作用，有利于裂纹的扩展，使得开槽砂轮比非开槽砂轮的磨削效率高l 2 倍【2 0 1 。 图1 2 p c d 磨削过程模型 f i g 1 2p r o c e e d m gm o d e lo f p c dg r i n d i n g ( 4 ) 艾兴院士等人还根据对金刚石性质的分析以及实验结果( 如磨削力，磨削温度， 工件加工表面形貌及砂轮损耗形式等实验) 建立起如图1 2 所示的磨削过程模型f 9 j ，并把 p c d 的磨削解释为如下过程：金刚石砂轮上的磨粒接触到p c d 工件表面的瞬间产生冲 击作用，弹簧系统将发生弹性变形，这相当于一个小直径圆弧压头对脆性材料进行冲击 挤压。当冲击压力超过一临界载荷时，p c d 表面产生脆性微裂纹：随着切削刃继续在工 件表面上移动，弹簧系统进一步变形，法向磨削力稳定的增加，摩擦力和切向磨削力也 将稳定地增加，这时的磨削状态完全是机械摩擦过程，增大的磨削力使p c d 表面产生 拉应力，导致裂纹扩张，当裂纹扩展到一定程度，出现搭按现象而使p c d 表层局部剥 落；随着磨削过程的进一步进行，越来越多的能量转变为热量，使p c d 被加热升温， 大连理工大学硕士学位论文 当温度达到金刚石产生脆塑转变临界温度时，局部发生塑性变形，出现犁沟现象。同 时，高温下金刚石表层原子位错运动加强，容易产生裂纹并使裂纹扩张，而且部分金刚 石晶粒或金刚石晶粒本身的一部分发生氧化；温度继续升高，而使某些金刚石晶粒产生 石墨化现象，氧化、石墨化都会降低金刚石晶粒的表面硬度，而被后继砂轮磨粒磨除； 另外，由于磨削高温使金刚石的机械性能下降，在机械应力和热应力的综合作用下某些 有晶界缺陷和晶内缺陷等的金刚石晶粒破碎，产生石墨化和破碎磨除。 ( 5 ) 大连理工大学学者李嫂通过大量的试验研究对p c d 刀具的刃磨机理进行了系统 的分析、总结，认为p c d 材料在磨削过程中磨削机理主要有四种形式【2 ”，即冲击脆性 去除、沿晶疲劳脆性去除、疲劳点蚀脆性去除和热化学去除及机械热去除。冲击脆性去 除发生在磨粒与p c d 材料的切入点( 即刃口) 处，因为刃口处受到磨粒的冲击作用，且 p c d 材料又是脆性材料，所以会直接产生刃口的锯齿缺陷，为此在刃磨过程中应尽量减 少这种去除；疲劳脆性去除一般发生在p c d 材料的沿晶附近，因为聚晶金刚石内部结 构中触媒钴和金刚石的弹性模量相差很大，是应力集中源，且刃磨时的高温及钴触媒的 作用使金刚石向石墨转化，将在晶界处形成微裂纹，磨削时p c d 表面在磨粒的频繁作 用下，裂纹由裂纹源开始逐渐扩展，最终产生疲劳脆性去除，疲劳脆性去除是一种基本 的去除方式；疲劳点蚀脆性去除是由于磨削过程中加入水基冷却液，磨粒的接触表面可 能将水液封入裂纹口中，使裂纹内形成很高液压，最终在金刚石表面形成点蚀坑，这种 去除方式发生在p c d 材料湿磨( 3 n 冷却液) 的工艺系统中；机械热去除产生的根本原因是 热作用的结果，在高温非高压下，石墨或无定性碳是热力学上碳的稳定结构，因此磨削 过程中p c d 材料表面局部高温接触点将发生石墨化、氧化等热化学去除，形成局部平 滑区，同时因磨粒硬度高于p c d 软化层硬度而产生机械去除，从而在平滑区上形成粗 细不等的磨痕，所以称之为机械热去除。 由此可见，国内外对p c d 刃磨机理的研究已经越来越成熟，出现了很多系统的理 论，但是这些理论缺点在于仅从p c d 材料本身的性能进行研究，没有综合考虑金刚石 砂轮的特性，具有一定的局限性，特别是对于p c d 刀具不同结合剂金刚石砂轮刃磨机 理特点的研究分析非常少，尚有待探索。 4p o d 刀具的最新制造技术f 2 2 ，2 3 j 随着汽车、航空航天、木工行业的不断发展以及各种人造难加工材料的不断涌现， 对p c d 刀具的切削性能尤其是高速切削性能提出了越来越高的要求，为此刀具制造商 正不断对p c d 刀具的制造技术进行改进与提高。 美国d i a m o n da b r a s i v e 公司通过优化p c d 烧结工艺，促使金阿4 石颗粒之间生成的 江兆周：p c d 刀具刃磨工艺及其加工有色金属的研究 共生物增大，从而提高了粗颗粒p c d 刀具的耐磨性。该公司开发的c t h 岔5 牌号的p c d 的耐磨性比同类型粗颗粒p c d 牌号提高了2 5 3 0 ，该牌号被设计用于切削具有高耐 磨性的铝金属基复合材料( m m c ) 。d i a m o n da b r a s i v e 公司还推出一种称为“m u l t i m o d a l ” 的新型p c d 牌号，这种牌号原来是为对刀具韧性要求极高的采矿业开发的，其特点是 每片刀片材料中都分布着各种不同粒度尺寸的金刚石颗粒，例如，m u l t i m o d a l 牌号 c t m 3 0 2 的材料中包含了粒度尺寸从2 p s r t 到3 p a n 的金刚石颗粒。这种由大、小粒度金 刚石颗粒混合构成的刀具切削刃性能相当于金刚石粒度为1 0 i m a 的刀片性能，而刀具的 寿命则超过了仅由单一粗颗粒金刚石制成的p c d 刀具。 英国s m i t h 公司研制的多层金刚石复合刀片，其顶层金刚石浓度为1 0 0 ，往内逐 步下降，同时硬质合金逐渐增加，到衬底全部为硬质合金。这种复合刀片的强度高，抗 冲击性能好，特别适用于大切深、有冲击载荷的加工使用。日本住友电工公司采用铁基 合金作基体，所制造的金刚石复合刀片钻头因p c d 与钢刀体有亲和作用，可保证复合 刀片与刀体的连结更为牢固。 几年前，美国s u m i t o m oe l e c t r i cc a r b i d e 公司曾推出一种称为d a 2 2 0 0 的亚微细粒 度( o 5 u m ) 的p c d 牌号，该牌号的p c d 刀具可加工出极高的工件表面光洁度，且具有几 乎可与硬质合金媲美的高强度。为了应对近来p c d 刀具大幅降价的压力，该公司又开 发了价格较低的d a 2 2 0 0 牌号刀具以替代价格较贵的原型刀具。由于采用了先进的p c d 烧结工艺，从而可制备出p c d 金刚石层厚度仅为标准厚度1 3 的d a 2 2 0 0 复合片，用这 种复合片制造的刀具与金刚石层较厚的p c d 刀具强度相同，但所消耗的金刚石材料以 及刀坯磨削工序中的材料去除量显著减少，从而降低了刀具的制造成本。 近来，c l a p p d i c o 公司新开发了一种不需重磨的超速( s u p e rs p e e d ) p c d 铣刀。该铣 刀上装夹了多个不需重磨的小刀尖p c d 刀片，刀片上的断屑槽可实现对切屑的有效控 制；铣刀刀体采用轻型不锈钢制造，可避免耐磨铝合金切屑和冷却冲洗液对刀体的损害。 该铣刀上还集成了一个由凸轮驱动的轴向调节装置，可对p c d 刀片的轴向尺寸进行精 确微调，并实现了刀具硬件结构的最小化。 可以预见，随着p c d 刀具的制造与应用技术研究的日益深入，p c d 刀具在超硬刀 具领域的地位将日益重要，其应用范围也将进一步拓展。 1 5 本课题的主要研究工作 鉴于p c d 刀具在切削加工中的作用日益显著，其刃磨及使用技术越来越受到重视， 本课题将主要对金属结合剂、树脂结合剂和陶瓷结合剂金刚石砂轮三种不同砂轮刃磨 p c d 刀具的工艺、机理以及p c d 刀具加工有色金属的规律进行研究。主要工作内容如 大连理工大学硕士学位论文 f ： ( 1 ) 对不同结合剂金刚石砂轮刃磨p c d 刀具时后刀面质量受砂轮速度、砂轮摆频及 干湿磨削条件的影响进行对比试验研究； ( 2 ) n 用扫描电镜对刃磨后p c d 刀具的刃口及后刀面形貌进行观察、分析，研究不 同结合剂金刚石砂轮刃磨p c d 的机理差异； ( 3 ) 分别用三种不同结合剂金刚石砂轮刃磨出三把p c d 刀具，利用扫描电镜分析其 刃磨质量，然后进行铝合金切削对比试验，分析刃磨质量对切削表面质量的影响以及刃 磨质量对刀具寿命的影响； ( 4 ) 对p c d 刀具加工有色金属时切削用量对切削加工表面质量的影响进行试验研 究。 江兆周：p c d 刀具刃磨工艺及其加工有色金属的研究 2p c d 刀具的制造工艺及使用技术 2 1p c d 刀具的制造工艺 p c d 刀具的制造工艺决定着其切削性能和使用寿命，是p c d 刀具发展应用的关键。 如图2 1 所示 2 4 1 ，p c d 刀具的制造工艺主要包括两个方面【2 5 1 ： p c d 复合片的制造， 通常将复合片制成固定直径和厚度的圆盘，并对烧结成的复合片进行研磨抛光及其它相 应的物理、化学处理；( g ) p c d 刀片的加工，包括复合片的切割、刀片的焊接、刀片刃磨 等步骤。 图2 ip c d 刀具制造工艺流程 f i g 2 1f a b r i c a t i n gp r o c e s so f p c dc u t t i n gt o o 2 1 1p o d 复合片的制造 p c d 复合片，就是用高温高压技术在硬质合金基体上烧结一层p c d ，二者形成一 体的刀坯，它兼具了f c d 的高硬度、耐磨性及硬质合金良好的强度和韧性。 目前，国际上著名的p c d 复合片生产商主要有英国d e b e e r s 公司、美国g e 公司、 日本住友电工株式会社等。其生产的p c d 复合片，具有系列化，应用专业化的特点。 如d eb e e r s 公司的p c d 复合片c t c 0 0 2 、c t b 0 0 2 、c r i b 0 1 0 、c t b 0 2 5 、c t h 0 2 5 ；g e 公司的复合片c o m p a x l 5 0 0 、c o m p a x l 3 0 0 、c o m p a x l 6 0 0 、s 仃a m p a x 2 5 0 0 等。总体而言， p c d 复合片有以下几个发展趋势【2 6 ，2 7 , 2 8 1 ：规格尺寸越来越大。目前国外可供货规格 尺寸最大己达巾7 4 m m 。大尺寸复合片的生产使其下料更加科学，不仅单位面积成本更 低、利用率提高，而且更能满足用户制造各种规格( 如长切削刃) 7 3 具的要求。晶粒细 化。p c d 材料晶粒尺寸越小，制成的刀具表面光洁度越高，刃口质量也越好，从而获得 较好加工工件表面质量和加工精度。早期p c d 复合片产品一般使用5 0 岬左右的金刚石 大连理工大学硕士学位论文 微粉，现在发展到使用2 1 a m 甚至0 5 9 m 以下，从而使p c d 刀具在加工工件表面质量和 精度方面越来越接近于天然单晶金刚石。质量优化、性能均一化。d eb e e r s 公司提供 的 7 0 m m 的产品，其中心点与边缘点耐磨性和耐热性指标的偏差能控制在3 0 范围内， 基本均匀一致。 2 1 2p c d 复合片的切割技术 由于p c d 复合片一般制成圆形，所以在p c d 刀具加工时还需要对其按需要的形状 进行切割。目前，p c d 复合片的切割加工处于由电火花线切割加工向激光切割加工过渡 阶段。 f 1 ) 电火花线切割 p c d 复合片电火花切割是在有工作液的条件下，利用脉冲电压首先使靠近电极的 p c d 金属结合剂处的工作液形成放电通道，进而在该局部产生火花放电，瞬时高温使 p c d 中的金属熔化，部分金刚石石墨化并脱落，如此反复进行，从而将p c d 复合片切 割成所要求的三角形、长方形或正方形的刀头毛坯。p c d 材料的电加工性主要取决于金 刚石的粒度及导电金属相的含量。若金刚石粒度粗，不易脱落，则放电电极丝磨损大， 断丝频繁；若金刚石中导电金属含量大、导电性好，切割速度就快。电火花切割p c d 复合片的效率及表面质量受电源电压、电流、切削速度和电极质量等因素影响，实验表 明【2 5 2 9 】：采用加大高频电压及高频电流的方法，加大发电能量，可以很好提高p c d 材 料的加工效率和切割质量；增大切削速度会降低加工表面质量，而切削速度过低则会产 生“拱丝”现象，并降低切割效率；电极丝质量对切割速度有影响，随着切割时间的延 长，电极丝变得细、硬、脆，导致切割速度就减慢。 电火花切割加工机床结构简单、操作方便、可维护性好、使用费用低，是一种经济 可行的加工方法。 ( 2 ) 激光切割 p c d 是一种脆性超硬材料，对热冲击极为敏感。在激光切割的过程中，能量密度极 高的激光束照射到聚晶金刚石材料表面上，产生高温高压，切缝迅速升温、汽化或碳化 熔融失去强度从而达到切割目的。激光切割p c d 材料的质量与输出能量、切割速度和 焦点位置等因素有关 2 9 1 ：激光束输出能量大，热冲击产生的热应力也相应增大，加工表 面质量下降；切割速度慢时，热影响区宽，加工表面质量降低：焦点位置决定割缝的宽 度，当焦点靠p c d 材料厚度方向中部时，切缝较窄。 激光切割具有热影响区很小、切割尺寸精度高、工件基本无变形、工具无损耗、割 缝窄、切割速度快、割缝边缘垂直度好、切边无机械应力等优点。随着激光器件功率等 江兆周：p c d 刀具刃磨工艺及其加工有色金属的研究 级、稳定性及可靠性的提高和加工技术的进步，设备价格的下降，激光切割将成为p c d 复合片切割加工首选方法。 2 1 3p c d 复合片的焊接技术 p c d 复合片的衬底是硬质合金，因此p c d 复合片的焊接实际上是硬质合金的焊接。 对硬质合金的焊接多用m n 基钎料，钎焊温度为1 0 0 0 c 左右【3 0 1 。然而p c d 层的耐热温 度一般不超过7 0 0 c 1 3 ”，否则会造成p c d 层的热损伤，降低刀具焊接后的使用性能。 因此焊接方法、钎料钎剂的选择与合理使用是影响p c d 复合片焊接质量的主要因素。 目前p c d 复合片的焊接方法有激光焊接、真空扩散焊、真空钎焊、高频感应钎焊、 水冷钎焊、惰性气体保护钎焊等。表2 1 就其中几种常用的p c d 复合片焊接方法的工艺 特点进行了简要比较分吲。 除了对焊接方法和工艺的研究外，对适合p c d 复合片的特点的专用钎料和钎剂的 研究也很多。如d eb e e r s 实验室开发的一种含钢5 3 、金1 4 5 、锰2 9 、镍3 ，5 的 新焊料，改善了焊接质量；含氯化钴的钎剂能使银基或铜基钎料很好的润湿p c d 复合 片和硬质合金表面，并能防止它们脱钴，从而提高焊接强度，降低钻头的脱片率。另外， 旨在降低成本、替代银基钎料的低银、无银钎料的研究也很多，且效果很好【3 ”。 表2 1p c d 复合片焊接方法工艺特点 t a b 2 1f e a t u r e so f p d cw e l d i n gm e t h o d s 焊接方法 工艺特点 激光焊 真空扩散焊 真空钎焊 高频感应钎焊 焊速快，焊缝窄，焊接变形小，柔性化，焊缝剪切强度可高达1 8 0 0 m p m 对 焊件装配精度要求高，参数多，操作复杂。 焊接接头热稳定性、抗震性好，焊缝剪切强度为4 1 3 3 6 5 5 1 2 m p a ；工艺 过程复杂，焊接时间长，需专用设备。 一种新兴的焊接方法，其焊缝剪切强度可达4 5 1 9 m p a ：工艺复杂，操作难 度较大。 一种应用比较广泛的p c d 复合片焊接方法，最大优势在于其设备投资少、 焊接工艺易于掌握，焊缝剪切强度为3 0 0 4 0 0 m p a 。 2 1 4p c d 刀具金刚石砂轮刃磨工艺 对于磨削工艺的研究，一般都以磨削率q 和磨耗比g ( q 指单位时间内去除的聚晶 金刚石材料量，g 指工件去除量与砂轮损耗量之比，这两个量反映了聚晶金刚石刀具刃 磨的生产率和成本) 为评价标准，考察磨削力，磨削速度，砂轮的摆动频率、摆幅，砂 轮的粒度等工艺参数对这两个标准的影响。 大连理工大学硕士学位论文 这方面的研究很多，典型的有德国学者k e n t e r 以恒定压力磨肖0 聚晶金网石刀具 的工艺研究，他得出以下结论f 1 6 ，1 7 , 1 田： ( 1 ) 金刚石砂轮的旋转速度v c 增大，磨削率与磨耗比均减小； ( 2 ) 恒定压力f a 增大，磨削率与磨耗比均增大； ( 3 ) 聚晶金刚石复合片粒度增大，磨削率和磨耗比均减小： ( 4 ) 金刚石砂轮磨粒粒度增大，磨削率与磨耗比均增大，刃口粗糙度增大； ( 5 ) 金刚石砂轮结合剂种类不同，磨削率与磨耗比不同； ( 6 ) 砂轮中金刚石浓度增大，磨除率和磨耗比增大； ( 7 ) 冷却液浓度增大，磨削率和磨耗比减小。 k e n t e r 对金刚石刀具的刃磨工艺做了系统研究，但他没有对刃磨工艺对聚晶金刚 石刀具刃磨质量的影响进行具体分析，关于这方面的研究还没有什么系统的理论出现。 2 2p o d 刀具的使用技术 2 2 1 p c d 刀具材料的结构与性能 p c d 是将金刚石微粉( 粒度为微米级) 与少量的金属粉末( 如c o 、n i 等) 混合后，在高 n ( 1 4 0 0 * c ) 高压( 几个g 帕) 下烧结而成的聚晶体。如图2 2 所示f 2 3 ，矧，在聚晶金刚石的 烧结过程中金刚石颗粒及结合剂间产生了共生物，并在金刚石颗粒之间建立起了连接 “桥”，从而获得具有催化剂岛状结构、类似于整体金刚石的聚晶体材料。 图2 2p c d 刀具材料微观结构示意图 f i g 2 2m i c r o s t r u c t u r eo f p c d m a t e r i a l 与单晶金刚石相比，p c d 材料的硬度稍低于单晶金刚石，但它是随机取向的金刚石 晶粒的聚合，具有各向同性，裂纹很难从一个晶粒传向另一个晶粒，用作切削刀具时可 以任意取向刃磨，而无需像刃磨单晶金刚石那样必须选用最佳的解理面作为前刀面：同 江兆周：p c d 刀具刃磨工艺及其加工有色金属的研究 时，p c d 材料相对于单晶金河石还具有导电性、可焊接性及经济性等优点：另外，p c d 刀具的切削刃对意外损坏不很敏感，抗磨损能力也较强，可长时间保持锋利的切削刃， 加工时可采用很高的切削速度和较大的切深。 p c d 刀具材料的具体性能指标如下： ( 1 ) 极高的硬度和耐磨性：p c d 的硬度可达8 0 0 0 h v ，为硬质合金的8 0 1 2 0 倍。 ( 2 ) 很好的导热性：p c d 导热系数为7 0 0 w m k ，为硬质合金的1 5 9 倍，甚至高于 p c b n 和铜，因此在切削中切削热容易挥发散出，故切削温度较低，切削加工不易产生 很大的热变形。 ( 3 ) 较低的热膨胀系数：p c d 热膨胀系数仅为o 9 x 1 0 - 6 1 1 8 x 1 0 ，相当于硬质合金 的1 5 ，因此切削加工时，刀具因切削热而产生的热变形很小，这一优越的特性对尺寸 精度要求很高的精车刀来说是非常重要的。 f 4 ) 较低的摩擦系数：p c d 的摩擦系数一般仅为o ，1 - 4 ) 3 ( 硬质合金的摩擦系数为 0 4 1 ) ，低的摩擦系数使切削变形和切削力降低从而提高切削加工表面质量。 ( 5 ) 弹性模量高：p c d 为8 0 0 ，硬质合金为6 1 0 6 4 0 。所以说p c d 刀具比硬质合金 的弹性模量高得多，刚性好得多，在切削过程中刀刃的变形量很小。在切削压力作用下， 能在很大程度上保持原始几何参数，长期保持其锋币g 性的稳定。 f 6 ) p c d 刀具与有色金属和非金属材料间的亲和力很小，在加工过程中切屑不易粘 结在刀尖上形成积屑瘤。 2 2 2p o d 刀具的应用 图2 3 各种形式p c d 刀具 f i g 2 3v a r i o u sk i n d so f p c dc u t t i n gt o o l 如图2 3 所示1 3 4 】，目前p c d 刀具可以分为车刀、镗刀、铣刀、钻头、铰刀、锯刀、 大连理工大学硕士学位论文 镂刀、冲头等多类形式。但根据p c d 刀具的加工对象不同，我们可以把p c d 刀具主要 分为p c d 金属切削刀具和p c d 木工刀具【3 5 】。 ( 1 ) p c d 金属切削刀具 p c d 金属切削刀具可利用p c d 材料的高硬度、高耐磨性、高导热性及低摩擦系数 实现有色金属及耐磨非金属材料的高精度、高效率、高稳定性和高表面光洁度加工。此 类刀具从结构上主要也可分为焊接式p c d 刀具和可转位式p c d 刀片。 可转位式p c d 刀片是在硬质合金可转位刀片上镶装一块p c d 刀坯再经刃磨而成， 可装夹在各种数控机床的刀杆、刀夹或刀盘上，用于高可靠性的大批量加工。随着数控 机床、加工中心及自动生产线的日益普及，可转位式p c d 刀片的使用越来越多，其刀 具耐用度较硬质合金刀具可提高几十倍。 近年来焊接式p c d 刀具中发展较快的品种是带标准刀柄的p c d 刀具，如带柄p o d 铣刀、p c d 镗刀、p c d 铰刀等，刀柄型式主要为圆柱柄、锥柄和h s k 柄。这种刀具( 尤 其是多齿刀具) 的特点是切削刃对刀柄的跳动小( 如刃长为3 0 m m 的h s k 柄p c d 铣刀的 切削刃跳动仅为o 0 0 2 m m ) ，尤其适合于对各种有色金属零件的成形面、孔、